Le contrôle des interactions à l'interface d'une hétérostructure d'isolant magnétique/topologique est un défi exceptionnel avec des implications en science et technologie fondamentales. Une recherche menée par le groupe Manipulation atomique et spectroscopie ICN2 et le groupe Physique et ingénierie des nanodispositifs, en collaboration avec le Groupe Nanochimie Supramoléculaire et Matériaux, le CFM-Saint-Sébastien, ETH Zurich, ISM-Trieste et synchrotron ALBA, a montré que des ligands de molécules organo-métalliques peuvent être utilisés pour adapter les propriétés de ces interfaces. Les résultats sont présentés en ACS Nano .

Un isolant topologique (TI) est un matériau qui se comporte comme un isolant en son intérieur mais dont la surface contient des états conducteurs exotiques, permettant ainsi aux électrons de se déplacer uniquement à la surface du matériau. La propriété la plus particulière de ces électrons de surface est que leur spin est verrouillé dans la direction du mouvement, afin qu'il puisse être manipulé par des courants électriques.

L'interfaçage des TI avec un matériau magnétique peut donner lieu à des phénomènes tels que l'interconversion de spin en charge induite par le courant et l'émergence de courants de spin sans dissipation, exploitable dans de nouveaux dispositifs spintroniques, métrologie ou dans les applications d'information quantique basées sur le spin électronique. Cependant, cette union de TI et de matériau magnétique dans une soi-disant hétérostructure est un processus complexe qui empêche souvent le contrôle des phénomènes particuliers décrits précédemment. En particulier, lorsque le TI est interfacé directement avec des ferroaimants métalliques, la forte interaction entre les deux matériaux conduit à des effets indésirables tels que la perte de propriétés magnétiques ou la suppression des états topologiques de surface.

Par contre, molécules organo-métalliques, des molécules organiques hébergeant un ion métallique (magnétique), ont été envisagés comme candidats pour développer des hétérostructures magnétiques/TI dans lesquelles les interactions interfaciales sont adaptées par le ligand organique. C'est précisément ce que les chercheurs de l'ICN2, en collaboration avec CFM-San Sebastián, ETH Zurich, ISM-Trieste et synchrotron ALBA, ont démontré. Publié dans ACS Nano , cette recherche a été dirigée par ICREA Prof. Aitor Mugarza, Chef du groupe de manipulation atomique et de spectrocopie et ICREA Prof. Sergio O. Valenzuela, Responsable du groupe Physique et Ingénierie des Nanodispositifs. Ils ont eu la collaboration du Prof. Daniel Maspoch de l'ICREA, Responsable du groupe Nanochimie supramoléculaire et matériaux, qui a synthétisé la molécule métal-organique. Le premier auteur de l'ouvrage est un ancien doctorant de l'ICN2. étudiant Marc G. Cuxart.

Dans ce travail, les chercheurs ont montré pour la première fois qu'il est possible d'ajuster l'interaction interfaciale sans éteindre le spin moléculaire et l'état de surface topologique du TI en choisissant des ligands organiques appropriés. En particulier, ils ont découvert que les monocouches de CoTBrPP et CoPc (molécules métal-organiques) adsorbées sur Bi2Te3 (isolant topologique) forment des interfaces robustes où les interactions électroniques peuvent être réglées sans perturber fortement les propriétés intrinsèques de chaque constituant. Leurs conclusions sont étayées par des éléments structurels, informations électroniques et magnétiques issues d'une combinaison de techniques spécialisées (STM, ARPES, XMCD et DFT).